【摘 要】
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半导体金属氧化物薄膜材料一直以来都是高性能气体传感器研究的热点,而静电纺丝技术提供了一种简单且通用的途径来生产具有多孔纤维形态的薄膜结构。然而,基于远场纺丝制备的纤维薄膜通常容易受到薄膜开裂的影响,基于近场纺丝制备的纤维阵列可以有效避免开裂,扩大纤维材料的应用领域,但常因纤维数量和长径比的下降而导致性能受限。本文将结合理论建模和实验来研究SnO2纤维薄膜气敏响应特性,并扩展到其他类型的薄膜结构进行
【基金项目】
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自然科学基金（No.11874169,No.11574106）； 国家重点研发计划（No.2018YFA0702100）；
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半导体金属氧化物薄膜材料一直以来都是高性能气体传感器研究的热点,而静电纺丝技术提供了一种简单且通用的途径来生产具有多孔纤维形态的薄膜结构。然而,基于远场纺丝制备的纤维薄膜通常容易受到薄膜开裂的影响,基于近场纺丝制备的纤维阵列可以有效避免开裂,扩大纤维材料的应用领域,但常因纤维数量和长径比的下降而导致性能受限。本文将结合理论建模和实验来研究SnO2纤维薄膜气敏响应特性,并扩展到其他类型的薄膜结构进行对比验证。然后通过近场纺丝技术制备一种有序SnO2/Ti O2复合纤维阵列,利用复合材料的协同效应来改善近场纺丝的不足。具体研究内容如下:首先基于纳米线电导模型,并结合气体扩散理论,对气敏响应阶段目标气体在静电纺丝纤维薄膜中的扩散过程进行了分析与计算。然后针对薄膜开裂现象,分阶段建立了实际条件下的气体传感模型,推导了纤维薄膜气敏响应理论曲线。其次利用静电纺丝法和溶胶凝胶法制备了纳米纤维薄膜和致密的颗粒堆积膜,通过薄膜形貌变化与性能测试,验证了薄膜开裂程度与厚度的关系,以及气敏响应随薄膜厚度变化的规律,实验结果与仿真获得的理论响应曲线一致。薄膜的气敏响应（S）与薄膜厚度L的相关性均为倒V形状。对于纤维膜,开裂引起的纤维断裂阻碍载流子的传输,使得气敏性能降低;对于致密膜,一定程度开裂形成了更多的气体扩散通道,使得气敏性能得到增益。最后利用近场纺丝的可控沉积与材料复合的协同效应制备了SnO2/Ti O2复合纤维,并通过实验对比了有序排列的SnO2/Ti O2叠层纤维和SnO2/Ti O2混合纤维的形貌、结构与气敏性能。研究表明,相比与纯SnO2纤维而言,两种结构SnO2/Ti O2复合纤维的气敏性能均因异质结的引入得到提升。然而同样20层的复合纤维,叠层结构的气敏响应提升了2.6倍,而混合结构只提升了1.4倍,该结果可归因于混合纤维中的粒子更容易团聚,导致异质界面不明显所引起。
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